مشاهدۀ تجربی پیوند RNA و آمینواسیدها در شرایط اولیهٔ زمین
دانشمندان شیمی آلی در یک سری آزمایشها توانستهاند پیوند احساسی (خودبهخودی و انتخابی) بین RNA و اسیدهای آمینه را در شرایطی شبیهسازیشده از زمینِ نخستین ایجاد کنند؛ فرایندی که حدود چهار میلیارد سال پیش زمینهساز ظهور حیات شدنی بوده است. این کار نشان میدهد که مولکولهای پایهایِ زندگی ممکن است در «سوپ آلی» اولیه و با میانجیهای انرژیبالا بهطور طبیعی به هم متصل شده باشند.
پیوند میان نوکلئیکاسیدها (مثل RNA) و اسیدهای آمینه اساس رابطهٔ حیاتی میان اطلاعات ژنتیکی و ماشینآلات پروتئینی است. زندگی امروز از ریبوزوم، ماشین مولکولی پیچیدهای، برای خواندن پیامهای RNA استفاده میکند تا پروتئینها را یکییکی بسازد. در آزمایش اخیر محققان نشان دادند چگونه میتوان بخش ابتدایی این فرایند را با شیمی بسیار ساده در آب و در pH نزدیک خنثی بازسازی کرد؛ پیوندی که خودبهخودی و گزینشی شکل میگیرد و میتوانسته در زمین اولیه رخ دهد.
زمینهٔ علمی: فرضیهٔ “دنیای RNA” و نقش انرژیهای واسطه
یکی از پرسشهای اساسی در زیستشناسی اولیه این است که چگونه اطلاعات ژنتیکی و پروتئینها بهیکدیگر وابسته شدند؛ چرا که پروتئینها خود تکثیر نمیشوند و توالی دقیق آنها باید توسط نوکلئیکاسیدها کُد شود. فرضیهٔ «دنیای RNA» مطرح میکند که RNA در ابتدا میتوانسته هم بهعنوان حامل اطلاعات و هم بهعنوان کاتالیزور عمل کند؛ یعنی مولکولی خودبازتکثیر با توانایی القای واکنشهای شیمیایی دیگر.
برای پیوند اسیدهای آمینه به RNA نیاز به یک واسطهٔ انرژیبالا است که واکنش را ممکن سازد. مطالعات گذشته نشان دادهاند بسیاری از حاملهای انرژی بسیار واکنشپذیر در آب ناپایدارند و باعث میشوند اسیدهای آمینه بهجای پیوستن به RNA، با همدیگر واکنش بدهند و پلیمرهای نامطلوب بسازند.
محققان بهسرپرستی جیوتی سینگ و متیو پاونر از دانشگاه کالج لندن، بهجای استفاده از حاملهای انرژی آزمایشگاهیِ مصنوعی، از یک میانجی طبیعیتر الهام گرفتند: تیواسترها (thioesters). تیواسترها ترکیباتی با انرژی شیمیایی بالا و شامل کربن، اکسیژن، هیدروژن و گوگرد هستند؛ چهار عنصری که در ترکیبات زیستیِ اولیه نقش کلیدی داشتهاند. در بسیاری از مسیرهای متابولیک امروزی، تیواسترها نقش واسطهای دارند و برخی محققان حتی فرض کردهاند که «دنیای تیواستر» ممکن است پیشنیاز یا همپوشانیِ دنیای RNA بوده باشد.
روش آزمایش و کشفِ کلیدی
در شبیهسازیِ شرایط سوپ آلی اولیه، تیم تحقیقاتی دریافت که حضور تیواستر بهعنوان منبع انرژی بیرونی کافی است تا اسیدهای آمینه را به RNA متصل کند. این پیوند نه تنها ممکن بود، بلکه با انتخابپذیری همراه بود؛ یعنی واکنش تمایل به تولید اتصال بین RNA و اسیدهای آمینه را داشت تا تشکیل پلیآمینواسیدهای نامرتب.
این نتیجه نقطهٔ اتصال دو نظریهٔ مهم دربارهٔ منشاء حیات را نشان میدهد: از یک سو «دنیای RNA» که در آن RNA نقش اصلی را بازی میکند، و از سوی دیگر «دنیای تیواستر» که در آن تیواسترها منبع انرژیِ واکنشهای ابتدایی بودهاند. بهعبارت دیگر، تیواسترها میتوانند انرژی لازم را برای فعال کردن آمینواسیدها فراهم کنند و RNA میتواند بهعنوان قالب یا گیرندهٔ نخستین عمل نماید.
متیو پاونر در توضیح اهمیت این یافته میگوید که این گام نخستِ فرایند پیچیدهٔ سنتز پروتئین را بازسازی میکند و نشان میدهد شیمی سادهٔ آبی در pH خنثی قادر است پیوند میان RNA و آمینواسیدها را برقرار کند. جیوتی سینگ نیز اشاره میکند که این آزمایش نشان میدهد چگونه «قطعات لگوی شیمیایی»ِ اولیه (آمینواسیدهای فعالشده و RNA) میتوانستهاند پپتیدهای کوتاه تولید کنند — زنجیرههایی که امروزه برای کارکردهای زیستی ضروریاند.
محدودیتها و مراحل بعدی
محققان تأکید میکنند که هنوز راه درازی تا دستیابی به درک کاملِ فرایند منشاء حیات باقی است. گام بعدی تعیین این است که آیا RNA در شرایط آزمایشگاهی بهطور گزینشی به آن نوع اسیدهای آمینه وصل میشود که بتوانند بهتدریج به شکلگیری یک رمز ژنتیکی منجر شوند یا خیر. همچنین باید بررسی شود که آیا این پیوندهای اولیه میتوانند بهمرور به سامانههایی منجر شوند که خودبازتکثیرند.
دورنما و اهمیت برای پژوهشهای آینده
این پژوهش میتواند افقهای جدیدی در تبیین مسیرهای تدوین کد ژنتیکی و ظهور سیستمهای زیستی اولیه باز کند. همچنین یافتن واسطههای انرژی باثباتتر در آب، مانند تیواسترها، مسیر پژوهش در شیمی پیشزیستی و زیستشناسی سنتزی را جهت میدهد؛ از تولید پپتیدهای مصنوعی تا ساخت مولکولهای شبهزیستی که توانایی خودبازتکثیری ابتدایی دارند.
نتیجهگیری
این مطالعه نشان میدهد که اتصال انتخابی و خودبهخودی بین RNA و اسیدهای آمینه، با کمک واسطهای مانند تیواستر، در شرایطی شبیه به زمینِ اولیه امکانپذیر بوده است. یافتهها پیوندی منطقی بین دو ایدهٔ مهم دربارهٔ منشاء حیات ایجاد میکنند و راه را برای پژوهشهای بعدی در جهت کشف ریشههای رمز ژنتیکی و پدیدار شدن پروتئینسازهای اولیه هموار میسازند. با وجود پیشرفتها، فهم کامل مسیرهای منشاء حیات هنوز نیازمند آزمایشها و مدلسازیهای بیشتر است، اما این کار گامی ملموس بهسوی بازسازی لحظات آغازین حیات بر زمین است.